新型色散型紫外成像光谱仪光学系统设计与性能测试

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1、新型色散型紫外成像光谱仪光学系统设计与性能测试李飞2015年5月中图分类号：TN23UDC分类号：681.7新型色散型紫外成像光谱仪光学系统设计与性能测试作者姓名李飞学院名称光电学院指导教师唐义副教授答辩委员会主席张智诠教授申请学位工程硕士学科专业光学工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月ResearchonperformanceandtheOpticalSystemofUltravioletImagingSpectrometerwithDispersionCandidateName:FeiLiSchoolorDepartment:OptoelectronicsFac

2、ultyMentor:Asso.Prof.YiTangChair,ThesisCommittee:Prof.ZhiquanZhangDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:OpticalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:June,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其

3、它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要成像光谱技术是提高信息获取量的重要手段，他结合了传统的成像技术和光谱技术，不仅能够获取目标的图像信息，也能够分析其光谱特性。紫外成像光谱仪以其在分析物体形状和组成上的巨大优势而被应用于大气探测，颜色分析，刑侦检测以及植被和地质研究，研究成像光谱技术对推动社会发展具有重要意义。由于紫外波段能力低且易损耗，为了提高像面接收到的能量，部分紫外成像光谱仪采用凹面光栅同时完成光线的色散和聚焦成像，但凹面光栅的制备困难且

4、不易检测，很难得到推广。本文以平面衍射光栅作为色散元件，运用新的像差理论，研究成像光谱仪系统分类、结构组成。本文分析了传统的平面衍射光栅色散型成像光谱仪，其特点是成像光谱仪望远物镜将被测目标成像于狭缝处，为一次成像，再由光谱仪光学系统成像于探测器处，为二次成像。狭缝为这两个过程的分界点，因此在成像光谱仪的设计过程中，望远物镜和光谱仪是分开的。从像差理论的角度看，传统成像光谱仪狭缝前后的系统独立设计，两部分像差分开校正，因此狭缝处不存在像差。平面衍射光栅作为光谱仪的光学元件，虽然其自身不引入像散和彗差，但由于存在这些像差传递，光栅也参与像差校正，导致成像光谱仪的设计变得复杂。本文基于平

5、面衍射光栅自身不引入像散和彗差的特性提出了一种以光栅为分界的成像光谱仪设计方法，平面衍射光栅不参与像差校正，这样可以简化像差计算过程。新型成像光谱仪由望远镜和成像系统组成，望远镜采用双抛物面结构，聚焦光学系统采用同心离轴双反射系统结构。除光栅外，整个系统只采用四片光学元件，光能利用率较高，且聚焦光学系统只使用球面镜，便于加工和装调。设计以光栅为分界的紫外成像光谱仪，其光学系统采用8mm×0.4mm宽的狭缝，工作波段120~180nm，光谱分辨率为1.3nm，MTF在35lp/mm处大于0.3，同时利用Monte-Carlo方法对其进行了公差分析。最后对紫外成像光谱仪样机进行波长定标、

6、辐射定标实验以及完成光谱分辨率和成像分辨率测试。成像光谱仪光谱分辨率为0.98nm，空间分辨率为14.71g/mm，波长定标不确定度小于0.407nm，辐射定标不确定度小于±7.5%。关键词：紫外成像光谱仪；望远镜；光栅；像差理论；光谱定标；辐射定标北京理工大学硕士学位论文AbstractImagingspectrometerscanacquiremoreinformationcomparedwithspectrographsandimagers.Itcangainthespectralinformationandimageofthetargetatthesametime,thusi

7、tcanbeusedtoanalyzethecomponentofthetarget,suchastheatmosphere,coloringmatter,plantandgeology.DuetothecharacteristicsoftheUVband,theUVimagingspectrometerismoresuitableforthesubstanceanalysis.ButthereisaproblemthatthepowerofUVbandi